五軸加工中刀具非線性誤差的優(yōu)化策略研究

袁志華

摘要：近年來在機床加工的過程中五軸機床得到了廣泛應用，在傳統的三軸機床的基礎上增加兩個回轉軸，可以提升加工工作的靈活性與自由度，大幅度提升自由曲面精確度，具有重要的意義。但是，在增加兩個回轉軸之后，會導致機床運動鏈的形式非常復雜，很容易在加工期間出現刀具非線性誤差問題，主要因為相關的數控系統在使用線性插補形式之后，會在插補期間出現刀軸矢量和回轉軸之間的非線性關系，不能確保刀具按照規(guī)定的軌線運行，出現誤差問題。在此情況下，就應該結合五軸加工過程中的刀具非線性誤差問題發(fā)生特點，采用有效的措施優(yōu)化處理，保證各方面工作的高效化實施，提升刀具加工的準確性。

關鍵詞：五軸加工;刀具非線性誤差;優(yōu)化策略

0 ?引言

在社會經濟不斷發(fā)展下，工業(yè)水平的不斷提升，對機床加工提出較高的要求。而在多軸數控加工中，非線性誤差是最為典型的加工誤差，在多軸加工屬于一種不可避免的問題。當前我國在五軸加工刀具非線性誤差方面，已經提出了前置處理、后置處理的解決措施，但是，這兩種方式都無法有效控制誤差問題。因此，在未來的工作中應該結合五軸加工中刀具的非線性誤差發(fā)生特點，采用有效的措施進行優(yōu)化處理，保證刀具加工的準確性。在對前人工作分析的基礎上，本文綜合分析了五軸加工中刀具非線性誤差問題的原因、五軸加工中刀具非線性誤差的控制現狀，在此基礎上，提出了五軸加工中刀具非線性誤差的優(yōu)化策略。

1 ?五軸加工中刀具非線性誤差問題的原因

對于過大的非線性誤差而言，可以通過分析其產生原因，將其分為兩種：其中一種是由于加工生成刀軌本身設計步長過大，從而導致產生的非線性誤差，另外一種就是由于機床后置處理反解運動學出現了奇異解，造成了非線性誤差。而在五軸加工的過程中，刀具出現非線性誤差的原因主要表現為：五軸加工期間的曲面曲率處于變化的狀態(tài)，會出現刀軸矢量方面的改變[1]。在此情況下，三軸加工期間能夠形成良好的直線段，而五軸聯動期間由于其中加入了旋轉軸，并且在數控系統中屬于非連續(xù)軌跡控制形式，相鄰的刀具位置相互的軌跡不能形成直線運動形式，而是空間曲線的運動形式，這樣很容易出現非線性誤差問題。尤其在相鄰刀具位置之間有插補軌跡的現象，不能和理想軌跡之間處于同樣的狀態(tài)，就會誘發(fā)嚴重的非線性誤差問題[2]。

2 ?五軸加工中刀具非線性誤差的控制現狀

目前在五軸加工的過程中，已經提出了刀具非線性誤差的控制方式，但是控制的效果不佳，難以起到良好的誤差控制作用。具體為：

2.1 刀具觸點偏執(zhí)處理方式

此類方法在應用的過程中，主要目的在于預防工件加工期間出現過切現象或者是欠切現象，可以使得刀具沿著相關的刀觸點法線方向偏執(zhí)，在偏執(zhí)一定區(qū)域之后能夠形成誤差分布的改善作用，可以形成良好的誤差控制模式。但是，此類方式在應用的過程中，不能保證偏執(zhí)以后的刀具加工誤差在合理范圍之內，難以有效控制加工的精確度，如果不能確保偏執(zhí)以后刀具加工的誤差符合要求，也會出現嚴重的加工誤差問題[3]。

2.2 線性化法控制措施

此類方式是對插補段進行線性的分割處理，增加刀具行走的步數，預防因為刀具行走的步長度過高誘發(fā)非線性誤差問題。但是，在應用此類方式過程中，如果零部件的加工過程中曲面形式非常復雜，數控程序的數量較多，很容易會導致插補性能與譯碼性能降低，不能保證在密度較高的加工程序中有效控制誤差問題，不能確保加工工作效率與質量。

2.3 前置與后置處理方式

目前在五軸加工中的刀具非線性誤差控制期間，還有前置和后置的處理方式，①前置處理方式。將GPU作為基礎的刀具可達性檢測檢驗，在刀具可行空間之內，研究刀軸的可行性情況，計算刀具可達方向椎的數據值;利用等弧長逼近的方式先將加工軌跡制作出來，針對加工軌跡調整處理，預防出現誤差問題;利用構造可行域的形式，嚴格開展刀軸矢量的平滑過渡控制工作。②后置處理方式。在實際工作中將前置文件當做是基礎部分，實現刀具位置點的線性加密處理，可以有效控制誤差值，插入中間點，減少誤差問題;將前置文件當做是基礎部分，使用線性插補的形式，采用專業(yè)化的后置軟件處理，預防出現刀具姿態(tài)誤差的問題，這樣可以控制非線性誤差，尤其在曲率半徑較高的工件加工期間，曲率變化較小的情況下，自由曲面的誤差控制效果就很高。但是，在應用此類方式的過程中，如果曲面率很大、半徑很小，就會受到一定的局限，難以將誤差控制在合理范圍之內[4]。

2.4 自適應線性控制措施

此類方式在應用的過程中，需要先計算每個程序階段的線性誤差數據值，對于已經超出誤差標準范圍的程序段，利用線性分割、折半分割的方式，縮短各個刀具位置點之間的距離，減少刀軸矢量的改變，這樣不僅能夠確保誤差在允許范圍之內，還能預防出現刀具位置密度過高的問題，可以在復雜曲面加工期間保證精確度，不會對機床的插補能力、譯碼能力造成影響，可以保證機床加工工作效率，提升加工工作質量和效果。此類方式屬于五軸加工期間的刀具非線性誤差控制新形式，需要利用軟件前置的方式，整合刀位源文件，按照誤差的限制性標準使用線性插補的方式，獲取到初始刀軸的矢量，之后利用投射的方式獲取到最新的刀具矢量，投射平面屬于插補之前的相鄰刀軸矢量所形成的平面，然后按照相關原理進行插補、誤差控制，這樣不僅可以有效解決誤差問題，還能通過增加新刀具位置的方式，靈活開展五軸加工工作，嚴格控制刀具的運行軌跡與精確度，預防出現刀具加工的誤差問題，保證各方面加工工作的嚴格實施和合理開展[5]。

由此可見，目前在五軸加工中刀具非線性誤差控制措施方面，自適應線性控制方式的應用效果較高，可以嚴格控制誤差問題，使得誤差在允許的范圍之內，因此，在實際工作中必須積極采用先進的自適應線性控制方式，預防五軸加工的過程中刀具出現非線性的誤差問題。

3 ?五軸加工中刀具非線性誤差的優(yōu)化策略

在分析五軸加工中刀具非線性誤差問題的原因基礎上，從目前五軸加工中刀具非線性誤差的控制現狀看，雖然在五軸加工的過程中，已經提出了關于刀具非線性誤差的控制方式，但在實際應用中，無論是刀具觸點偏執(zhí)處理方式、線性化法控制措施還是前置與后置處理以及自適應線性控制措施，其實際應用效果并不理想，這使得對形成誤差的問題沒有發(fā)揮出有效控制作用。因此，這就需要在實際工作中全面分析誤差問題的發(fā)生特點和實際情況，在此基礎上，篩選最佳的策略解決當前的問題，從而有效提升五軸加工中刀具非線性誤差控制效果。具體的優(yōu)化措施為：

3.1 自適應非線性誤差的應對措施

五軸加工期間增設了兩個旋轉軸，很難準確預測刀具和工件的接觸位置，加之刀具位置的數據信息中，只涉及到觸點、軸矢量的信息，難以將刀具形狀和工件情況展現出來，很容易出現非線性誤差的問題。在此情況下，就應該結合實際情況采用自適應非線性誤差控制方式，開展最大非線性誤差位置的預測工作與仿真驗證工作，選擇相鄰刀具位置點的中點區(qū)域，當做是新刀具的插入位置，假設相鄰刀具位置的數據值是（Pi+R1）、（RI+1+R1+1），應該先將相鄰刀具位置之間的誤差計算出來，如若誤差超過就要插入新的刀具位置點（PW+RW），之后分別計算（Pi+R1）、（PW+RW）與（RI+1+R1+1）、（PW+RW）的誤差，如若出現了超出誤差范圍的現象，就必須繼續(xù)在其中插入新的刀具位置，直到將誤差控制在合格的范圍之內才可以完成相關的工作。需要注意的是，在實際工作中應該建立相關的非線性誤差模型，主要因為五軸加工期間，原本的平動軸運作情況可以了解，但是，增設的旋轉軸運動情況很難控制，不容易采用視圖顯示的方式了解實際情況，這就需要在誤差控制期間，建立相關的非線性誤差模型，按照五軸加工的刀具運行特點和實際情況建立相關的模型，便于準確開展誤差的計算工作，保證誤差計算的合理性，為誤差控制提供幫助。[6]

3.2 采用MATLAB軟件開展控制工作

五軸加工的工作中可以采用MATLAB軟件嚴格控制和預防刀具的非線性誤差，對算法進行仿真驗證處理，保證可以有效控制誤差問題。例如：選擇橄欖曲面開展相關的加工工作，通過軟件驗證分析減小線性誤差方式的應用效果，可以先利用PRO/E生成刀具位置的文件，選擇其中十個采樣點，開展誤差的計算和分析工作，獲取到誤差的分布圖，通常情況下，沒有利用誤差補償方式的部分，非線性誤差較高，平均0.016毫米左右。而利用減小非線性誤差算法，主要就是在相鄰的兩個刀具位置點之間插入新的刀具位置點，這樣在一定程度上能夠形成誤差的控制作用。所以在控制五軸加工刀具非線性誤差期間，就可以結合自適應線性控制的原理和特點有效開展誤差管理工作[7]。

4 ?結語

綜上所述，五軸加工中刀具非線性誤差問題控制的過程中，應該積極采用自適應線性優(yōu)化控制方式，按照五軸聯動的原理，計算非線性誤差的數據值，然后選擇誤差高出規(guī)定范圍的加工段技能型處理，將相鄰刀具位置的數據值、刀軸矢量數據值作為基礎，采用插補的方式增加新的刀具位置，不僅可以有效控制和預防誤差問題，還能提升加工的效率和質量，具有非常重要的應用意義。因此，在五軸加工的刀具非線性誤差優(yōu)化控制的過程中，必須注重自適應線性控制方式的應用，歸納總結豐富的經驗，保證將誤差控制在合理范圍之內，提升機床加工的精確度，滿足當前的加工誤差控制根本需求。

參考文獻：

[1]王云鵬.鞋楦加工中五軸數控系統刀具半徑與非線性誤差補償[D].北京：北京交通大學，2019，23（45）：122-134.

[2]唐清春，王玉濤，李科輝，等.刀具參數對非線性誤差的影響規(guī)律及控制方法研究[J].機床與液壓，2018，46（22）：98-103.

[3]王玉濤，唐清春，周澤熙，等.五軸聯動刀軸矢量插補優(yōu)化算法[J].表面技術，2018，47（7）：90-95.

[4]吳志清，唐清春.刀具擺角對復雜曲面輪廓精度的影響研究[J].表面技術，2018，47（7）：139-145.

[5]趙歡，張永紅，丁漢.五軸線性刀路的轉接光順及軌跡生成算法[J].機械工程學報，2018，54（3）：108-116.

[6]李慧瑩，陳良驥，張海軍.基于加工刀位直接插補的機床坐標逆向計算方法[J].現代制造工程，2016，13（10）：41-46.

[7]周雪梅，曹利新.圓柱刀五軸數控側銑直紋面的直線插補誤差分析[J].風機技術，2016，58（4）：68-72，79.